高等岩石力学1-5章
精品课程《岩石力学》ppt课件(全)
具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏 规律以及工程稳定性等问题。
上述定义是把“岩石”看成固体力学中的一种材料，然而
岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是
一种典型的“连续介质”，具有复杂的地质构造和赋
存条件的天然地质体。
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11
三、岩石力学理论的发展简史
1. 初始阶段(19世纪末~20世纪初)
.
8
（2）60年代初意大利Vajont大坝水库高边坡的崩溃 意大利Vajont拱坝，坝高262m，
于1959年建成，是当时世界上 最高的拱坝。1963年10月9日 夜，由于大坝上游山体突然滑 坡，约2.5亿立方的山体瞬时涌 入水库，涌浪摧毁上游及下游 一个小镇与邻近几个村庄，造 成约2500人死亡，整个灾害的 持续时间仅仅5分钟。
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3
一、引言
1. 人类活动与岩石工程（Rock Engineering）
岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都 是在岩石圈上进行的：
远古
约4700年前 公元1600年
19世纪
石器，穴居 金字塔（146.5m) 火药采矿 铁路隧道技术
20世纪 大型水电工程
岩基、边坡，地下 洞室，隧道工程等
普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论．
围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于 冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分．
太沙基(K．Terzahi)理论 围岩塌落成矩形，而不是抛物线型．
优点与缺点
上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的， 但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有 的地下空间都存在塌落拱．围岩和支护之间并不完全是荷载和 结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载 系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作 用．
岩石力学全
目录第一章岩石力学的研究进展 (3)第二章工程岩石的地质特性 (4)§2.1 基本概念 (4)§2.2 岩石的矿物学特性 (4)§2.3 岩体结构 (5)§2.4 岩体的天然应力 (5)§2.5 风化作用对岩体力学特征的影响 (6)§2.6 水对岩体特性的影响 (6)第三章工程岩体分级 (6)§3.1 概述 (6)§3.2 影响岩体工程性质的主要因素 (7)§3.3 岩体质量描述及其表达式 (8)第四章室内岩块试验分析 (11)§4.1 岩块的空隙性和水理性 (11)§4.2 岩块的单轴抗压试验 (12)§4.3 岩块三轴压缩试验 (13)第五章岩体天然应力及其测试原理与技术 (15)§5.1 概述 (15)§5.2 岩体天然地应力状态及高地应力现象 (15)§5.3 岩体天然地应力测试原理和方法 (16)第六章岩石的变形及其影响因素 (18)§6.1岩石的变形和强度特征及影响因素 (18)§6.2岩石的流变特性 (23)第七章岩体变形及强度.............................................................................. 错误！未定义书签。
§7.1 岩体变形测试................................................................................ 错误！未定义书签。
§7.2 岩体的强度.................................................................................... 错误！未定义书签。
1高等岩石力学-岩石物理力学性质
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一、岩石的质量指标
岩石密度测定方法三：蜡封法
蜡封法适于不能用量积法或水中称重法测定密度的岩石。 首先选取有代表性岩样在105—110℃温度下烘干24小时。 取出，系上细线，称岩样质量（gs），持线将岩样缓缓浸入刚 过熔点的蜡液中，浸后立即提出，检查试样周围的蜡膜，若 有气泡应用针刺破，再用蜡液补平，冷却后称蜡封岩样的质 量（g1），然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其质量（g2），则 岩石的干密度（γd）为 ：
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高等岩石力学
二、岩石的常见结构类型
岩石的结构是指岩石中矿物和岩屑颗粒相互 之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、 结构连结特点及岩石中的微结构面。 岩石结构连结类型：结晶连结和胶结连结。
5
高等岩石力学
二、岩石的常见结构类型
岩石中的微结构面，是指存在于矿物颗粒内 部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及 空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、 粒间空隙、微裂隙等。 岩石中的微结构面一般是很小的，通常需在 显微镜下观察才能见到，但它们对岩石工程性 质的影响却是相当大的。 有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决 定性因素。
变 质 岩
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高等岩石力学
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高等岩石力学
1.2 岩石物理性质与试验
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高等岩石力学
岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、 最重要的性质之一，也是岩体力学中研究 最早、最完善的部分。 参照标准：《工程岩体试验方法标准》 （GB/T 50266-99）。
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高等岩石力学
一、岩石的质量指标
m ms mw
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高等岩石力学
三 、岩石的水理性质
2. 吸水率（自然吸水率） a
烘干岩石自由浸水48小时后吸入水的质量 与固相质量之比的百分数
高等岩石力学第一讲
岩体的特征 岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑 性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是 一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的 困难性和复杂性。因此，只用一般的固体力学理 论尚不能完善解决岩体工程中的所有问题。
1.2 岩石的结构和构造
岩石的物理力学性质除与其组成成分有关外,还取决于 岩石的结构和构造。 岩石的结构是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所 决定的结构特征。 岩石的构造则是指各种不同结构的矿物集合体的各种 分布和排列方式。 岩石颗粒间的联结分为结晶联结和胶结联结两类。 以风化程度划分，岩石分为微风化、中等风化和强风 化岩石。 以坚硬程度划分，岩石分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、 软岩和极软岩。
岩体是地质历史的产物，在长期的成岩及变形过程中 形成了它们特有的结构。 岩体结构包括两个基本要素，结构面和结构体。 结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小 的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是在 地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的。 被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围， 这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结 构体。 结构面是岩体的重要组成部分.岩体质量的好坏与结构 面的性质密切相关. 岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石 是岩体的组成物质，岩体是岩石(结构体)和结构面的统一 体。
第 一 讲 岩石的物理力学性质
本章内容： 1.1 岩石与岩体的基本概念 1.2 岩石的结构和构造 1.3 岩石的基本物理性质 1.4 岩石的强度
1.5 岩石的变形
重点:
1、岩石与岩体，岩石的基本物理性质；
2、岩石的单轴压缩变形特性，应力－应变全过程曲 线的工程意义；
3、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验 室测定方法； 4、岩石在三轴压缩条件下的力学特性； 5、岩体强度的各向异性；
岩石力学课本
第一章绪论第一节岩体力学与工程实践岩体力学(rockmass mechanics)是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。
如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂(如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等)以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。
但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。
概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。
②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。
③为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。
以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。
本书主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。
在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。
以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。
然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。
其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。
岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。
高等岩体力学-学习内容要求
《高等岩体力学》全面阐述岩石静力学、动力学、流变学及水力学基本内容和研究前景，并把损伤力学，断裂力学、块体力学的基本原理和研究方法引入到岩石力学中，构建了岩石力学的基本理论框架。
分形理论、块体理论和流形单元法等典型新理论和新方法在岩石力学中的应用。
1.预修课程工程地质学，材料力学，弹性力学，塑性力学，有限元方法等2.课程性质岩体力学是介于地学与力学之间的一门新兴的边缘学科，是一门认识和控制岩石工程系统的力学行为和功能的科学。
在地质、采矿工程、土木建筑、水利水电、铁路、公路、地震、石油、地下工程、海洋工程，以及国防工程等部门都广泛地应用这门学科的理论和知识，岩石力学在这些工程领域中起着重要的作用。
本课程开设于水利工程、岩土工程专业的硕士研究生。
3.课程的主要内容第一章绪论（岩石力学的简单回顾，岩石力学与工程发展展望）第二章岩石的基本物理力学特性及其实验岩石力学性质的室内常规测试单轴压缩试验（单轴抗压强度，弹性模量，泊松比）三轴压缩试验抗拉试验（直接拉伸，间接拉伸）剪切试验点荷载试验岩体力学性质试验研究（现场岩体变形试验，现场岩体强度试验－混凝土与岩体接触面直剪，结构面直剪，软弱结构面剪切流变，岩体抗剪强度，岩体压缩强度试验等）测试新技术，如电液伺服试验机和刚性试验机，声发射测试，红外辐射测试等。
第三章岩石的本构关系与强度理论本构关系指岩石在受载过程中的应力应变关系。
强度理论是考察岩石在极限破坏时的应力或应变满足的条件。
第四章岩石流变力学岩石流变理论及长期强度，岩石流变问题的解析解方法等第五章岩体天然应力状态及其测试技术应力解除法及恢复法原理，表面应力测试，孔内应力测试，水压致裂法（地壳深部应力测量），Kaisai效应等第六章岩石的动力学行为岩石与岩体的基本动力学特性，岩石动力试验技术与方法，应力波在岩石地层中的传播，岩体声发射观测原理及工程应用第七章岩石水力学（岩体裂隙渗流特点，裂隙岩体渗流理论，岩体渗流参数的确定等）第八章岩石力学的数值模拟（几种流行的方法，有限元，有限差分FLAC，边界元，离散元，流行元，无单元等）有限元方法的基本方程，非线性问题的基本解法，非线性弹性问题的有限元解法，弹塑性问题的有限元解法，流变问题的有限元分析。
岩石力学概要
二〇一〇年五月
目录
第一章 绪论
岩石力学的定义 岩石力学的内容 岩石力学的发展历史 岩石力学发展过程中的重大事件 岩石力学的主要成就 岩石力学领域现存的主要问题 煤矿中的岩石力学问题 煤矿中的岩石力学难题
第二章 岩石的物理力学性质
岩石的物理性质 岩石的力学性质
第三章 岩体强度理论
岩石的破坏机理 库仑-莫尔强度理论 格里菲斯强度理论
岩石力学会议，讨论了6个专题： （1）地质现场勘测及试验； （2） 岩石的物理性质及模拟； （3）近地表开挖、边坡及地表的稳定性； （4）地下峒室的开挖及稳定性 ； （5）岩体中热、水流动及化学传输； （6）与岩石力学有关的信息系统和新技
术。
1999年，在法国的巴黎召开了第9 届
第四章 岩体中的应力
原岩应力场 二次应力场
第五章 岩体工程稳定控制
岩体工程的稳定性概念 岩体工程稳定性破坏的机理 岩体工程稳定性控制的技术途径 岩体工程稳定控制的技术措施
第六章 专题举例
数值模拟 采场支架选型 锚固支护方案
第 1 章 绪论
一、岩石力学的定义 二、岩石力学的内容 三、岩石力学的发展历史 四、岩石力学发展过程中的重大事件 五、岩石力学的主要成就 六、岩石力学领域现存的主要问题 七、煤矿中的岩石力学问题 八、煤矿中的岩石力学难题
三、 岩石力学的发展历程
初始阶段：19世纪末-20世纪初
• 发展了初步理论，以解决岩体开挖的计算问题。如关于原岩应 力计算的海姆假说（静水压力理论）、郎金和金尼克假说等。
经验理论阶段：20世纪初-20世纪30年代
• 根据生产经验提出了地压计算理论，如自然平衡共学说、太沙 基地压理论等。
《岩石力学》课件
岩石坚固性系数(普氏系数)f：
f c
10
P
P
裂纹扩展示意图
大理石
1—端面有摩擦； 2—端面有插入物； 3—端面有润滑。
粗砂岩
P P
试件尺寸对完整岩石强度的影响
试件相对含水率对岩石抗压强度的影响 P
P
石英质页岩
石英质砂岩
岩石抗拉强度
P
直接拉伸法
t
P A
10
式中：σt——岩石抗拉强度，MPa； P——试件拉伸破坏载荷，kN； A——试件横截面积，cm2。
加工精度：GB/T23561.13—2010 《煤岩物理力学性质测定方法》
岩石的基本物理性质指标 岩石视密度：沉积岩ρ视=2500~2700(kg/m3)，通常为2600(kg/m3)；
煤层ρ视=1200~1400(kg/m3)，通常为1300(kg/m3)。
单轴压缩下岩石的变形性质
P
岩石的模量
——岩石内摩擦角， (°)。
岩石抗剪强度试验
1——正压力；2——测力计；3——粘接剂；4——球形接头；5——剪力
岩石试件三轴压力室结构图 von Karman曲线，1911
Tennessee大理石三轴试验的应力应变曲线
1 1
P
有效应力定律： 2 2
3 3
μ—孔隙压力
P
1:σ3=34.5MPa; μ=6.9MPa。
斜截面上的应力
单元体的应力状态和Mohr应力圆
1 2
x
y
1 2
x
y
c os 2
1 2
x y
sin 2
OC
CD cos2
1 2
x
y
1 2
《岩石力学》全书复习资料
《岩石力学》全书复习资料第一章绪论1、岩石力学定义:岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学；它是力学的一个分支；它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。
2、岩石力学研究的目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降低维护成本，减少支护事故。
3、岩石力学的发展历史与概况：（1）初始阶段（19世纪末—20世纪初）1912年，海姆（A.Hmeim ）提出了静水压力理论：金尼克（A.H.ΠHHHHK ）的侧压理论：朗金（W.J.M.Rankine ）的侧压理论：（2）经验理论阶段（ 20世纪初—20世纪30年代）普罗托吉雅克诺夫—普氏理论：顶板围岩冒落的自然平衡拱理论；太沙基：塌落拱理论。
4、地下工程的特点：（1）岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容（剪胀）现象等；（2）地下工程是先受力（原岩应力），后挖洞（开巷）；（3）深埋巷道属于无限域问题，影响圈内自重可以忽略；（4）大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；（5）围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移；（6）地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；（7）地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力；（8）几何不稳定结构在地下可以是稳定的； 5、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物；结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况；构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；第二章岩石力学的地质学基础 1、岩石硬度通常采用摩氏硬度，选十种矿物为标准，最软是一度，最硬十度。
这十种矿物由软到硬依次为：l-滑石； 2-石膏；3-方解石；Hγ1νλν=-H λγH λγ4-萤石；5-磷灰石；6-正长石；7-石英；8-黄玉；9-刚玉；10-金刚石；2、解理：是指矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，裂开的光滑平面称为解理面。
3、岩石的工程特性4、影响岩石的工程性质的因素包括矿物成分、结构、构造、水、风化等因素。
岩石力学课件文档
第一章岩石的物理力学性质1，岩体：位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面（断层、节理、破碎带等）分割下形成的有一定结构的地质体。
由结构面与结构体组成的地质体。
2，岩石：是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。
具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶）集合体。
3，岩体（石）力学：是力学的一个分支学科，是研究岩（体）石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的一门基础学科。
4，结构面：指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
5，岩石质量指标（RQD）：是指大于10cm的岩心累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
6，空隙指数：指在0.1Mpa压力条件下，干燥岩石吸入水的重量与岩石干重量的比值。
7，软化性：是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。
8，软化系数：是指岩石试件的饱水状态的抗压强度与自然风干状态抗压强度的比值。
9，膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。
10，岩石的比重：是岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值。
11，岩石的容重：岩石单位体积（包括岩石内孔隙体积）的重量。
表示为R=W/V12，岩石的饱和吸水率（饱水率）：是岩石在强制状态（高压或真空，煮沸）下，岩石吸水的质量与岩样烘干质量的比值。
13，岩石的抗冻系数：是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、溶解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值。
14，岩石的单轴抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。
15，岩石的三轴抗压强度：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。
16，岩石的抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大拉应力。
17，岩石的抗剪切强度：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力。
18，形状效应：在岩石试验中，由于岩石试件形状的不同，得到的岩石强度指标也就有所差异，这种由于形状的不同而影响其强度的现象。
岩石力学ppt课件
喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙，透水性较大。此外，喷出岩多呈岩流状产 出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和整体稳定性影响较大。
4
第二章 岩石的物理性质及工程分类
所以：
x y xy z yz
xz zx yx zy
中，实际上独立的应力分量只有6个。
11
第4章 岩石的本构关系和强度准则
应力平衡微分方程
根据微分单元体x方向平衡，∑Fx=0，则
12
第4章 岩石的本构关系和强度准则
4.2 应变及应变状态分析 应变的概念 由于载荷作用或者温度变化等外界因素等影响，物体内各点在空间的位置将发 生变化，即产生位移。
岩石力学基础 复习指导
课程主要内容
31
岩石的结构和组织
2
岩石的物理性质及工程分类
3
岩石的力学性质
4
本构关系和强度准则
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岩石的蠕变
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地应力测量及计算
37
测井解释及井壁稳定
1
第1章 岩石的结构和组织特点
▪ 岩石的结构和分类 ▪ 岩石的微观结构 ▪ 岩石的宏观结构
成岩旋回图
2
第二章 岩石的物理性质及工程分类
2）沉积岩的性质 碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著。此外，碎
屑的成分、粒度、级配对工程性质也有一定的影响。 粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化
和泥化。若含蒙脱石成分，还具有较大的膨胀性。这两种岩石对水工建筑物地基和建筑场 地边坡的稳定都极为不利，但其透水性小，可作为隔水层和防渗层。
《岩石力学》(完整版)PPT课件
平行层面波速/垂直岩层波速＝各向异性系数C C=1.08-2.28；多数：C=1.67 相当一部分：c=1.10
.
43
表3－6
.
44
•交通方面 ：北京道路面积4.4m2/人；东京11.3m2/ 人；伦敦21.3m2/人。
.
4
1.3 岩体力学的研究方法
研究方法：实验、理论分析与工程应用相结合
实验 理论
室内
岩块（拉、压、剪…） 模拟 收敛（表面位移）
野外 位移 应力
应变 绝对位移、相对位移（内部）
压力 连介
非连介
有限元
数值方法 离散元
VP0.3 51.88
.
34
.
35
二、岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系
弹性波在岩体中传播时，遇到裂隙，则视
充填物而异。若裂隙中充填物为空气，则弹 性波不能通过，而是绕过裂隙断点传播。在 裂隙充水的情况下，声能有5％可以通过， 若充填物为其他液体或固体物质，则弹性波 可部分或完全通过。弹性波跨越裂隙宽度的 能力与弹性波的频率和振幅有关.
.
29
.
30
根据实验结果整理的岩体动弹性模量见表（3－2）
.
31
动弹性模量与静弹性模量的比值
• 一般来说，岩体越坚硬越完整，则差 值越小，否则，差值就越大。
• 根据对比资料的统计，动弹性模量比 静弹性模量高百分之几至几十倍，如 图3－4所示。
• 从动弹性模量的数字来看，多集中 在 1 51305 0130MP之a间。
.
12
（二）渗透性
在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映 了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达 西（Darcy）定律描述：
高等岩石力学
岩石（体）力学特性专题第一节刚性压力机的作用原理及在试验中岩石变形破裂机理一、岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。
岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。
以下介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。
1. 典型的岩石应力-应变曲线分析图1例示了典型的应力-应变曲线。
根据应力-应变曲线的形态变化c可将其分成OA，AB，BC三个阶段。
三个阶段各自显示了不同的变形特性。
(1)0A阶段，通常被称为压密阶段。
其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少，形成这一特性的主要原因是:存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。
(2)AB阶段，也就是弹性阶段c从图1可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。
若在这一阶段卸荷的话其应变可以恢复，由此而称为弹性阶段。
这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。
即弹性模量E和泊松比。
所谓弹性模量，是指应力-应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。
就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。
在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量和割线模量。
割线模量是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值。
其实质代表了岩石的变形模量。
所谓泊松比，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变之比值。
这是描述岩石侧向变形特性的一个参数。
最近几年来，经过大量的试验发现，在AB阶段，由于受荷后不断地出现裂纹扩展，岩石将产生一些不可逆的变形。
因此从某种意义上来说，它并不属于真正的弹性特性，只能是一种近似的弹性介质。
B点是该岩石的屈服点，当应力超过B点，则将进入第三阶段。
(3)BC阶段，也被称作塑性阶段。
当应力值超出屈服应力之后，随着应力的增大曲线呈下凹状，明显地表现出应变增大(软化）的现象。
进人了塑性阶段，岩石将产生不可逆的塑性变形。
高等岩石力学1-5章
参考文献
4. 孙广忠，岩体结构力学，科学出版社，
1988 5. 周维垣主编，高等岩石力学，水利电力 出版社，1990 6. E. Hoek，J.W. Bray. Rock Slope Engineering, 1981 7. E. Hoek, E.T. Brown. Underground Excavation in Rock, 1980
strength f (1, 2 , 3 )
strength f (1 , 2 , 3 )
strength f (1, 2 , 3 , 1, 2 , 3 )
莫尔-库仑准则表示破坏时剪应力与正应 力的关系； 平面格里菲斯准则用微裂纹扩展所需要 的应变能表示单轴抗拉强度； 霍克-布朗准则是拟合在最大、最小主应 力空间中的强度数据得到的经验准则。
温度效应 temperature effect
温度增加，弹性模量和抗压强度的降低，峰后延性增长。 涉及液化天然气储存（低温）和核废料处置（高温）。
5.5 破坏准则（failure criteria）
岩石破坏是一个复杂的过程：无论是单个微裂纹的产生和发展，还是 多个微裂纹的发展和合并使得整个结构破裂，均不是用简单模型能 准确描述的。 传统习惯把应力看成 “因”，应变看成“果”，因此早期实验采用定 应力加载速率，用破坏时的试件应力来表示材料的强度。
各方法确定的应力分量
4.3 地应力分布规律
1. 地壳中主应力为压应力，方向基本上是
垂直和水平的 2. 垂直应力随深度呈线性增长 3. 水平应力分布比较复杂
最大水平应力分量绝大多数大于垂直应力 分量； ② 地壳中第一主应力方向接近水平； ③ 两个水平应力分量中比值1.4~3.3。
①
4.3 地应力分布规律
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参考文献
4. 孙广忠，岩体结构力学，科学出版社，
1988 5. 周维垣主编，高等岩石力学，水利电力 出版社，1990 6. E. Hoek，J.W. Bray. Rock Slope Engineering, 1981 7. E. Hoek, E.T. Brown. Underground Excavation in Rock, 1980
高等岩石力学 advanced rock mechanics
阴 可 教授 重庆大学土木工程学院 2011.10-12
教学内容
1. 绪论 2. 工程背景
3. 力学基础知识
4. 地应力 5. 完整岩石 6. 不连续面 7. 岩体
教学内容
8. 岩体渗流 9. 各向异性与非均匀性
10. 试验技术与数值模拟
4.1 概述
1. 什么是地应力？
2. 为什么要确定地应力？
3. 怎么量化表述地应力？
4.2 地应力的测量方法
直接测量法、间接测量法、指标测量法 国际岩石力学学会（ISRM）推荐： a) 扁千斤顶法（the flatjack test）； b) 水压致裂法（the hydraulic fracturing test）; c) 美国矿务局钻孔孔径变形计法（The United States Bureau of Mines (USBM) overcoring torpedo）； d) 澳大利亚联邦科学与工业组织空芯包体应变计法 （The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) overcoring gauge）。
5.5.1莫尔-库仑准则(the Mohr-Coulomb criterion)
5.5.2 平面格里菲斯准则(the plane Griffith criterion)
5.5.3霍克-布朗准则(the Hoek-Brown empirical failure criterion)
1 3 m c 3 s c2
各方法确定的应力分量
4.3 地应力分布规律
1. 地壳中主应力为压应力，方向基本上是
垂直和水平的 2. 垂直应力随深度呈线性增长 3. 水平应力分布比较复杂
最大水平应力分量绝大多数大于垂直应力 分量； ② 地壳中第一主应力方向接近水平； ③ 两个水平应力分量中比值1.4~3.3。
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4.3 地应力分布规律
5.3 普通、刚性和伺服控制试验机
soft, stiff and servo-controlled testing machines
5.4 试件几何性质、加载条件和环境影响
specimen geometry, loading conditions and environmental effects
温度效应 temperature effect
温度增加，弹性模量和抗压强度的降低，峰后延性增长。 涉及液化天然气储存（低温）和核废料处置（高温）。
5.5 破坏准则（failure criteria）
岩石破坏是一个复杂的过程：无论是单个微裂纹的产生和发展，还是 多个微裂纹的发展和合并使得整个结构破裂，均不是用简单模型能 准确描述的。 传统习惯把应力看成 “因”，应变看成“果”，因此早期实验采用定 应力加载速率，用破坏时的试件应力来表示材料的强度。
strength f (1, 2 , 3 )
strength f (1 , 2 , 3 )
strength f (1, 2 , 3 , 1, 2 , 3 )
莫尔-库仑准则表示破坏时剪应力与正应 力的关系； 平面格里菲斯准则用微裂纹扩展所需要 的应变能表示单轴抗拉强度； 霍克-布朗准则是拟合在最大、最小主应 力空间中的强度数据得到的经验准则。
扁千斤顶法
水压致裂法
水压致裂法
1. 2. 3. 4.
1. 2. 3. 4.
前提要求和假设 不能预先有裂缝 测试段便于量测水压力 能确定初始裂缝开裂的方向和位置 钻孔方向平行主应力方向 方法缺陷 对应上1 对应上4 弹性理论假设的成立 岩石抗拉强度的确定
USBM钻孔变形应变计法
CSRIO空芯包体应变计法
平时要求及课程成绩 平时成绩+期末书面闭卷考试
第1章 绪论（introduction）
岩石力学是从经验到理论然后回到工程的过程 “岩石力学是岩石力学心态的理论和应用的科 学，它是与岩石性态对物理环境的力场反应有 关的力学分支”（Judd，1964） “岩石力学主要地是与工程和采矿中遇到的那 种规模的岩体有关，因而它也可以看作对易于 接近的岩体在应力和环境条件变化下性态和特 性的研究”（J.C. Jeager，N.G.W.Cook，1979）
4. 一个相当大的区域内，最大主应力方向
是相对稳定的 5. 区域构造场常常决定局部点的主应力
4.4 高地应力区的特征
1. 岩芯饼化与地应力差有关 2. 地下硐室施工过程中的岩爆、剥离
3. 隧洞、巷道、钻孔的缩颈
4. 边坡上出现错动台阶 5. 原位变形曲线的变化
4.5 高地应力产生的原因
1. 侵蚀 Erosion 2. 地质构造运动 Tectonic activity
岩石的变形、强度和破坏 全应力-应变曲线（complete stress-strain curve）提供峰值后（post-peak region）的岩 石特性 峰值后的岩石特性对岩石工程有特别的意义
5.2 单轴压缩的全应力-应变曲线
the complete stress-strain curve in uniaxial compression
加载条件（loading conditions）
环境效应（environmental effects）
含水量（率） moisture content 2. 时间相关性 time-dependent effects
1.
a.
b.
c.
d.
应变率（加载速率）strain rate: the total form of the complete stress-strain curve is a function of the applied strain rate; 蠕变 creep : a material continues to strain when the applied stress is held constant; 松弛 relaxation: there is a decrease in stress within the material when the applied strain is held constant; 疲劳 fatigue: there is an increase in strain due to cyclical changes in stress.
尺寸效应（the size effect）
弹性模量没有随试样尺寸变化而明显变化，因为 它是一个平均响应
形状效应（the shape effect）
弹性模量变化小，而强度和延性由于端部效应（end effect）随宽 高比(aspect ration)增加而增加。 如何避免形状效应？两种思路：improve the lab test or use empirical formulae.
11. 岩体分类 12. 岩石动力学与流变特性 13. 岩体开挖与稳定性 14. 岩体工程
参考文献
J.A. Hudson, J.P. Harrison. Engineering Rock Mechanics, Pergamon, 1997(中译本，科学 出版社，2009) 2. J.C. Jeager, N.G.W. Cook. Fundamentals of rock mechanics. 1979(有中译本) 3. L. Muler. Rock mechanics.1974. 本书是德、 奥、美、意、法等国十名知名岩石力学家 1974年在意大利乌迪内国际岩石力学中心举 办的一次岩石力学讲座文献
参数s与岩样开裂程度相关, 值1~0 参数m与颗粒内锁（particle interlocking） 的程度有关 抗拉和抗压的关系：
t
m
c
m 4s / 2
2
参考文献
8. 9. 10. 11. 12.
杜庆华，余寿文，姚振汉。弹性理论，科学 出版社，1986 陆明万，罗学富。弹性理论基础，清华大学 出版社，1990 徐秉业，陈森灿。塑性理论简明教程，清华 大学出版社，1981 B.K. Atkinson. Fracture Mechanics of Rock ,1987(有中译本) 尹双增。断裂 损伤理论及应用，清华大学出 版社，1992
主要研究问题
岩体稳定性、山体稳定性、场区稳定性、区域稳 定性、地壳深部活动性
岩石力学的研究方法
科学试验、理论分析和工程验证 理论研究、数值计算、试验和工程类比
岩石力学发展历史
第2章 工程背景（Geological Setting）
作为工程材料的岩石
天然岩石环境
地质因素对岩石及stress）
3. 岩石各向异性 Rock anisotropy
4. 不连续面 discontinuities
第5章 完整岩石（intact rock）
5.1 完整岩石试验的背景
the background to intact rock testing
早期（1960s），岩石比岩体受人关注：
这门学科是从固体材料力学发展而来； 人们采样的方式是从远处钻取圆柱状芯样。